JPH0362432A - 電界放射装置の形成方法およびその方法で形成された電界放射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は電子装置を製造する方法およびその電子装置
自体に関するものである。この装置は、より詳細にいえ
ば、電界放射装置である。

［従来の技術］ 近年、２〜３ミクロンオーダの陰極寸法および陽極／陰
極間隔を有している電界放射装置の構造についてかなり
の興味が持たれていた。

そのような装置の製造においては、ピラミッド形状をし
た陰極の配列は、結晶または金属層の不要領域をエツチ
ングすることによって、要求されるピラミッド形状の後
方に形成されていた。その後プレーナ金属の陽極層が陰
極から隔離および絶縁されて形成されていた。この陽極
層は連続であるか、または小さな領域に分割され、それ
ぞれが個々の陽極または陽極のグループを形成していた
。

［発明が解決しようとする課題〕 ミクロンサイズの電界放射装置の構造においては、ピラ
ミッド形状の陰極と陽極の間に印加される可能な最低電
圧で良好な放射を達成することが不可欠のものである。

このためには陰極構造の上にできるだけ先鋭な点を作る
必要があるが、従来の技術ではミクロンオーダの先鋭な
点を作ることは困難であった。

この発明の目的はテーパ状の鋭い先端を持つ電界放射装
置を形成する新しい方法を提供するものである。さらに
、この発明の目的は前記方法で作られる新しい電界放射
装置を提供するものである。

［課題を解決するための手段および作用］この発明の第
一の側面においては、導電材料の第一の層を供給し、こ
の第一の層から前記第一の層と第二の端からなる第一の
端を有する柱状構造を形成する。

前記柱状構造は前記第一の端から柱状構造の中間領域に
向けてテーパになっている第一の部分および前記第二の
端から前記中間領域に向けてテーパになっている第二の
部分を有する。前記柱状構造の前記第二の端は第一の層
から空間的に離れた第二の導電体層に付着している。そ
して前記第一および第二の部分を分離するために前記中
間領域の柱状構造部分を除去する。そこでは、２つのテ
ーパ部分は、それぞれ装置の電極を形成するために、ほ
ぼ整列し空間的に接近して隔離した鋭い端を有している
。

この発明の他の側面は、１ｍｍまでの範囲の長さの２つ
のテーパになった鋭い導電体の端を有する放射装置を提
供するものである。この２つの部分の鋭い端は、はぼ整
列しお互いに向かい合い空間をおいて隔離されている。

［実施例］ この発明の具体例を、添付図面を参照し実施例により以
下に詳細に説明する。

第１図（ａ）から（ｊ）までは、複数の電子放射装置を
形成するため、本発明に従った第一の実施例の手順を図
示している。

第２図は、本装置の分離した複数列の形成を図示してい
る。

第３図は、相互接続された装置のマトリクスの形成を図
示している。

第４図（１１）から（ｇ）までは、電子放射装置を形成
するため、本発明に従った第二の実施例の手順を図示し
ている。

第５図は、本装置の拡大断面を図示している。

第６図は、複数の電子放射装置を形成するために用いら
れるマスクの部分の平面図を示している。

第１図（ａ）においてｔｏｏｏｔンク゛ス）［１−ム程
度の厚さの二酸化シリコン層ｌが単結晶シリコン基板２
の上にまず熱成長する。それから、上記層１の上にレジ
スト層３（第１図（ｂ））が堆積し、アパーチャーマス
ク４を通して紫外線が照射される。照射されたレジスト
は現像され、二酸化シリコン層１はエツチングされ、基
板２上の二酸化シリコンの小さな（約１ミクロン平方の
〉長方形のパッド５（第１図（Ｃ））が残る。

その後、基板２はＳＦｓ／Ｎｔ１０ｎプラズマに露出す
ることによって乾式エツチングされる。これによって、
パッド５間の基板領域６は除去され、エツチングされて
いないシリコン柱７はパッド５の真下に残される。これ
らの柱７は１から５ミクロンのオーダの高さである。

その後柱７は水酸化カリウムのような材料で方向性湿式
化学エッチを用いてエツチングされる。

パッド５の存在によって各柱７の上端はほとんど変化し
ない。しかしながら、この柱７は逆ピラミｌド形８（第
１図（Ｃ〉〉にエツチングされる。同時に、このエツチ
ングは柱と柱の間の基板領域９を除去し、ピラミッド１
０が逆ピラミッド８の下に残る。

燐またはボロン／燐でドープされた二酸化シリコン層１
１（第１図（ｆ〉〉は、ピラミッド８．１０およびパッ
ド５の基板の上に、層１１の上のレジスト平面層１２ま
で堆積される。層１２はピラミッド構造の周囲の領域を
被っているマスク３４を通してエツチングされる。これ
によって、二酸化シリコンパッド１３（第１図（ｇ））
は一体となったピラミッド８、ｌＯとだいたい同じ高さ
になる。

レジスト層１４（第１図（ｈ））はパッド１３とピラミ
ッド８、ｌＯとを被っている柱状構造の上に堆積される
。このレジスト層１４はパッドの頂上とピラミッド８（
第１図（ｉ））の頂上を露出するためにエツチングされ
る。その後、金属層１５（たとえば、０．５−１．０ミ
クロン厚）は、ピラミッド８と接触している柱状構造の
上に堆積され、このパッド１３とこのレジスト層１４の
残存部分ニヨって支持される。

それから、これらのレジスト層１４の部分は溶解される
。この湿式エツチング処理は、ピラミッド８とピラミッ
ド１０がだんだんと薄くなりお互いが離れるまで続けら
れ、その結果基板２の残存部分によって支持されている
先鋭な下部ピラミッド１６と、パッド１３の基板によっ
て支持されている金属層１５によってさらに支持されて
いる先鋭な上部ピラミッド１７が残る。

ピラミッドの先端部の空洞は空になるかまたは適当な圧
力のガスで満たされる。

ピラミッド構造は第２図に示したような直線状、または
第３図に示したようなマトリクス配列に形成される。

基板２と金属層１５に電気接続をし、その間に適当な電
圧を印加することによって、これらの先端間に電界放射
が起こる。この装置は、たとえば、サージ避雷器として
用いられる。

この方法は種々の変更が可能である。例えば、上記で述
された実施例では基板２はシリコンで形成されているが
、それは単結晶金属基板で置き換えることも可能である
。さらに、方向性湿式エツチングによって最終的にピラ
ミッドの先端を分離する代わりに、二酸化シリコンの領
域を先端に成長し、その後先端を分離するため二酸化シ
リコンを除去することも可能である。

ピラミッドの形成についても乾式エツチング処理によっ
て同様の効果を得ることができる。上記のピラミ’Ｆド
形状の代わりに、円錐または他のテーパ形状等のいかな
るテーパ構造でも可能である。

この発明に関する第二の実施例を図面の第４図（ａ）　
−（ｇ）に示し、これを参照して単一装置の柱状構造を
示す一例を詳細に説明する。

たとえば、シリコンまたはタングステンの単結晶基板１
８は第４図（ａ）に示されるように面方向を持っている
。そのような方向性は後に説明するように湿式エツチン
グ処理に対して要求される。

この方向性はほとんどの立体材料に対して要求される傾
向にある。しかし、他の材料または他のエツチング材料
は異なる方向性を要求する。

たとえば、シリコン基板の場合は熱酸化によって、タン
グステン基板の場合は化学蒸気堆積によって、マスク１
９（第４図（ｂ））は形成される。このマスクは写真リ
ングラフィまたは電子ビームリングラフィの方法によっ
てパターンが作られる。基板の下層部の深部エツチング
に対しては特殊なマスク材料が選ばれる。

基板はエツチングされ、マスク１９が置かれている領域
の背部２０（第４図（Ｃ））が残される。

背部２０は約２ミクロンまでの高さであり、装置の一つ
の列に対しては約１ミクロンの幅である。

Ｐドープされた二酸化シリコンのような酸化層２１は、
選択的にマスキングとエツチングをすることによるか、
または仮の平面層の上に堆積した後酸化層２１のエッチ
率にマツチしているエッチ率を有する方法を用いてエツ
チングすることによるかのいずれかを用いることによっ
て、柱状構造の上に平面化される（第４図（ｄ）〉。

金属層２２は酸化層２１層の上に堆積する。金属層２２
は適当な金属でよい。しかし完成した装置の高温焼き鈍
しを許容するために、プラチナ層はシリコンまたは他の
金属または半導体材料の下部層の剛着を強化するための
、例えば、クロムまたはニッケルで形成されたバッファ
層と共に用いられる。半導体層の場合には半導体にオー
ミック接触を有する金属導体が好まれる。その後金属層
２２は、接触パッド領域２４．２５を覆うために形どら
れたレジスト層２３（第４図（ｅ））と背部２０の上に
位置する矩形領域２６で覆われる。

領域２６の端は、シリコンまたはタングステン基板の場
合には［１１０Ｆ方向に整列する。

その後、この柱状構造はレジスト２３によって覆われて
いない層２２の領域を除去するために乾式エッチされる
。そして、エツチングは、例えば背部２０の高さの半分
まで取り除くように背部２０の中にまで続けられる。さ
らＣ二、この段階で、基板の熱膨張によるミスマツチの
影響を少なくするために絶縁層２１の余分な領域をエツ
チング材料より除去することもできる。その後、この柱
状構造は湿式エッチされる。この場合エツチング材料は
シリコンまたはタングステン基板のため水酸化カリウム
が好ましい。このエツチングは、領域２６と層２３の下
に横たわっている背部２ｏの領域の側部（第４図（ｇ）
〉を浸食する。そのため、この領域は各端部からその高
さの中間点に向かうテーパになる。この工・ｙチングは
中間部分が浸食されるまで続き、２つのピラミッド２７
とピラミッド２８を分離する（より詳しくは第５図参照
）。

第５図において、ピラミッド２７は基板１８の残存部分
と結合している。ピラミッド２８はＦｆＡ２２によって
支持され逆ピラミッドになっている。

エツチング処理は、金属層２２と基板１８に電気的な接
続をし、それらの間の抵抗を監視することによって、監
視できる。ピラミッドが分離する時に生じる抵抗の急激
な変化はエツチングの終了の指示を示す。そのような接
続によって印加される電気的なバイアスによってエッチ
率の制御が可能となる。タングステンのようないくつか
の材料に対してはこのバイアスは方向性エッチを得るた
め要求されるであろう。抵抗を監視することはピラミッ
ドチップのオーバエッチを防止するために有用である。

低電圧（たとえば１００ボルト以下）で電界放射が得ら
れるように、もし空間的に近接した端（たとえばＯ，１
ミクロン程度の間隔）と先鋭な端点（たとえば０．１ミ
クロン以下）を達成することできるなら、この防止は必
須のものである。

第６図はマスクの部分とマルチチップダイオード装置を
形成するための接続層３３とを示す。この層はパッド３
５，３６．３７のような重なりパッドを有し、それぞれ
は第４図（ｅ）の領域２６に対応し、接触領域３８．３
９は同図の領域２４．２５に対応している。開口部４０
はエツチング材料の入口である。点線部のピラミッド４
１．４２．４３はそれぞれパッド３５．３６，３７の下
に作られる。

［発明の効果コ 本発明は以上説明したように乾式エツチングを用いた処
理を行っているので、先鋭なチップを柱の部分に作るこ
とができる。このため非常に先鋭な点電極を製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は複数の電子放射装置を形成するため、本発明の
方法の手順を示した図、第２図は複数の本装置の分離し
た列の形成を示した図、第３図は相互に接続されたマト
リクスの形成を示した図、第４図は電子放射装置を形成
するため本発明の第二の方法の手順を示した図、第５図
は本装置の拡大断面図を示した図、第６図は複数の電子
放射装置を形成するために用いられるマスク部分の概略
平面を示した図である。 １・・・二酸化シリコン層、２・・・基板（第一の層）
、３・・・レジスト層、４・・・アパーチャーマスク、
５・・・パッド、　６・・・基板、　７・・・柱、　８
・・・ビラミ　ノド、　９・・・基板のエツチングされ
た領域、１０・・・ビラミツ）’、１１・・・二酸化シ
リコン層、１２・・・層、１３・・・パッド、１４・・
・レジスト層、１５・・・金属層（第二の層）、１６・
・・下部ピラミッド、１７・・・上部ピラミ　ノ　ド、
　１８・・・基板、１９・・・マスク、　２０・・・背
部、２１・・・酸化層、２２・・・金属層、２３・・・
レジスト層、２４・・・接触パッド領域、２５・・・接
触パッド領域、２６・・・矩形領域、２７・・・ピラミ
ッド、２８・・・ピラミ　ッ　ド、　３３・・・接続層
、　３５・・・パ　ノ　ド、　３６・・・パッド、３７
・・・パッド、３８・・・接触領域、３９・・・接触領
域、４０・・・開口部、４１・・・ピラミッド、４２・
・・ピラミッド、４３・・・ピラミッド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第一の導電材料層（２）、前記第一の層から間隔を
   おいた第二の導電層（１５）を備え、前記第二の導電層
   （１５）に付着している第二に端、前記第一の層と第二
   の端を一体化する第一の端を有し、前記第一の端から柱
   状構造の中間領域に向かってテーパになっている第一の
   部分（１０）および前記第二の端から前記中間領域に向
   かってテーパになっている第二の部分（８）を有する柱
   状構造を形成し、 前記柱状構造の中間領域部の一部を除去し前記第一と第
   二の部分を分離することによって、２つのテーパ部（１
   ６、１７）がほぼ配列し狭い間隙で鋭い端を有する電極
   を形成することを特徴とする電界放射装置形成方法。 ２、前記第一の層（２）から、まず側壁がほぼ垂直の柱
   （７）を形成することによって柱状構造を形成し、それ
   に続いて柱の側壁と第一の層の下部をエッチングしテー
   パ状の柱状構造を形成することを特徴とする請求項１記
   載の電界放射装置形成方法。 ３、柱の側壁と前記第一の層がエッチングされた後、前
   記柱状構造と接触して第二の導電層（１５）が形成され
   ることを特徴とする請求項２記載の電界放射装置形成方
   法。 ４、柱状構造が支持材料層（１１）によって取り囲まれ
   、前記第二の層（１５）がその上に積層され、前記第二
   の層（１５）の積層後その支持材料層が除去されること
   を特徴とする請求項３記載の電界放射装置形成方法。 ５、前記第一の層（２）の部分から柱が形成される前に
   、前記第二の導電層（１５）が前記第一の層（２）の部
   分と接触して形成されることを特徴とする請求項２記載
   の電界放射装置形成方法。 ６、前記柱と下方の前記第一の層（２）を方向性湿式エ
   ッチングにより処理することによって、柱状構造が形成
   されることを特徴とする請求項２−５記載の電界放射装
   置形成方法。 ７、前記第一の層（２）が単結晶シリコンで形成される
   ことを特徴とする上記請求項記載の電界放射装置形成方
   法。 ８、前記第一の層（２）が単結晶金属で形成されること
   を特徴とする請求項１−６記載の電界放射装置形成方法
   。 ９、前記金属がタングステンであることを特徴とする請
   求項８記載の電界放射装置形成方法。 １０、前記第一と前記第二の部分（１０、８）が分離し
   た時に前記第一と前記第二の層（２、１５）との間に生
   じる急激な電気抵抗の変化をチェックすることによって
   、前記中間領域の柱状構造部を除去する過程が監視され
   ることを特徴とする上記請求項記載の電界放射装置形成
   方法。 １１、上記請求項記載の方法において形成されることを
   特徴とする電界放射装置。 １２、１ｍｍまでの長さの、テーパ状の鋭い先端を持つ
   ２つの導電体（１６、１７）を有し、その２つの導電体
   の鋭い先端はお互いにほぼ整列し空間的に分離しお互い
   が対向していることを特徴とする電界放射装置。 １３、導電体（１６、１７）の長さが１０ミクロンより
   長くないことを特徴とする請求項１２記載の電界放射装
   置。 １４、導電体（１６、１７）が共通の導電基板（２）を
   エッチングすることによって形成されることを特徴とす
   る請求項１２または１３記載の電界放射装置。